Des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont étudié pour la première fois la dynamique des électrons du graphène « matériau merveilleux » dans un champ magnétique. Cela a conduit à la découverte d'un phénomène apparemment paradoxal dans le matériau. Sa compréhension pourrait rendre possible un nouveau type de laser à l'avenir. Avec des chercheurs de Berlin, La France, la République tchèque et les États-Unis, les scientifiques ont décrit avec précision leurs observations dans un modèle et ont maintenant publié leurs découvertes dans la revue scientifique Physique de la nature .

Le graphène est considéré comme un « matériau miracle » :sa résistance à la rupture est supérieure à celle de l'acier et il conduit l'électricité et la chaleur plus efficacement que le cuivre. En tant que structure bidimensionnelle constituée d'une seule couche d'atomes de carbone, il est également flexible, presque transparent et environ un million de fois plus mince qu'une feuille de papier. Par ailleurs, peu après sa découverte il y a dix ans, les scientifiques ont reconnu que les états énergétiques du graphène dans un champ magnétique - connus sous le nom de niveaux de Landau - se comportent différemment de ceux des semi-conducteurs. "De nombreux effets fascinants ont été découverts avec le graphène dans les champs magnétiques, mais la dynamique des électrons n'a jamais été étudiée dans un tel système jusqu'à présent, " explique le physicien Dr. Stephan Winnerl de HZDR.

Les chercheurs du HZDR ont exposé le graphène à un champ magnétique de quatre Tesla, quarante fois plus puissant qu'un aimant en fer à cheval. Par conséquent, les électrons du graphène n'occupent que certains états d'énergie. Les particules chargées négativement ont été pratiquement forcées sur des pistes. Ces niveaux d'énergie ont ensuite été examinés avec des impulsions lumineuses laser à électrons libres au HZDR. "L'impulsion laser excite les électrons jusqu'à un certain niveau de Landau. Une impulsion temporellement retardée sonde ensuite l'évolution du système, " explique Martin Mittendorff, doctorant à la HZDR et premier auteur de l'article.

La redistribution des électrons surprend les scientifiques

Le résultat des expériences a étonné les chercheurs. Ce niveau d'énergie particulier, dans lequel de nouveaux électrons ont été pompés à l'aide du laser, progressivement vidé. Winnerl illustre cet effet paradoxal à l'aide d'un exemple quotidien :« Imaginez une bibliothécaire triant des livres sur une étagère à trois étagères. Elle place un livre à la fois de l'étagère inférieure sur l'étagère du milieu. Son fils « aide » simultanément en prenant deux livres de l'étagère du milieu, placer l'un d'eux sur l'étagère du haut, l'autre en bas. Le fils est très impatient et maintenant le nombre de livres sur l'étagère du milieu diminue même si c'est précisément l'étagère que sa mère souhaite remplir."

Parce qu'il n'y avait auparavant ni expériences ni théories concernant une telle dynamique, les physiciens de Dresde ont d'abord eu du mal à interpréter correctement les signaux. Après plusieurs tentatives, cependant, ils ont trouvé une explication :les collisions entre électrons provoquent ce réarrangement inhabituel. "Cet effet a longtemps été connu sous le nom de diffusion Auger, mais personne ne s'attendait à ce qu'il soit si fort et provoque un épuisement du niveau d'énergie, " explique Winnerl.

Cette nouvelle découverte pourrait être utilisée à l'avenir pour développer un laser capable de produire de la lumière avec des longueurs d'onde arbitrairement réglables dans les gammes infrarouge et térahertz. "Un tel laser de niveau Landau a longtemps été considéré comme impossible, mais maintenant, avec le graphène, le rêve des physiciens des semi-conducteurs pourrait devenir une réalité, " déclare Winnerl avec enthousiasme.

Des chercheurs berlinois calculent un modèle complexe pour les expériences de Dresde

Après que le modèle fondamental utilisé dans les expériences ait fonctionné de manière satisfaisante, le travail théorique précis suivi, qui a été réalisée à l'Université technique de Berlin. Les scientifiques berlinois Ermin Malic et Andreas Knorr ont confirmé, à l'aide de calculs complexes, les hypothèses du groupe de Dresde et a fourni des informations détaillées sur les mécanismes sous-jacents. Les chercheurs du HZDR ont en outre coopéré avec le Laboratoire Français des Champs Magnétiques élevés de Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), l'Université Charles de Prague et le Georgia Institute of Technology d'Atlanta (États-Unis).